應(yīng)用型“電氣控制技術(shù)和可編程控制器”課程體系研究

孫曉波 張禮慧

摘要：國家中長期教育改革發(fā)展綱要和卓越工程師教育培養(yǎng)計劃對工程技術(shù)人才的知識結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力及工程意識提出了明確要求。應(yīng)用型本科院校必須修改培養(yǎng)方案，創(chuàng)新課程體系以適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求。本文以電氣工程專業(yè)的“電氣控制技術(shù)和可編程控制器”為例，進(jìn)行課程體系研究，通過整合教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)手段、課程實(shí)驗(yàn)層次劃分、課程設(shè)計工程化、改善實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行方式等強(qiáng)化學(xué)生的能力培養(yǎng)，取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：電氣控制技術(shù);可編程控制器;課程體系;能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0065-02

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》，指出高等教育今后的戰(zhàn)略目標(biāo)是：“優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，豐富社會實(shí)踐，強(qiáng)化能力培養(yǎng);著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，”力爭于2020年躋身創(chuàng)新型國家行列和人力資源強(qiáng)國行列[1]，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，高等教育任重而道遠(yuǎn)。教育部于2010年6月23日啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的核心是以社會需求為導(dǎo)向，以實(shí)際工程為背景，以工程技術(shù)為主線，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識和實(shí)踐能力[2]。

“電氣控制技術(shù)”和“可編程控制器”是兩門實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程。如何利用現(xiàn)有條件，在“電氣控制技術(shù)”和“可編程控制器”的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生綜合分析和解決工程實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，滿足社會需要，已引起各高校和相關(guān)教師的高度重視。因此，改革這兩門課程的教學(xué)方法和手段，構(gòu)建與社會需求相適應(yīng)的教學(xué)新方案，具有重要而深遠(yuǎn)的意義。我院從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)以及實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行改革入手，開展研究，逐漸形成了自己的教學(xué)特色。

一、調(diào)整教學(xué)大綱，精心選擇授課內(nèi)容

對于應(yīng)用型本科院校，應(yīng)緊密聯(lián)系社會生產(chǎn)實(shí)際，瞄準(zhǔn)典型崗位群，整合教學(xué)內(nèi)容。因?yàn)榭删幊炭刂破鲬?yīng)用越來越廣泛，所以課程應(yīng)以可編程控制器控制為核心;同時，考慮到企業(yè)中還有相當(dāng)數(shù)量的接觸器——繼電器控制的機(jī)床設(shè)備，加之接觸器——繼電器控制的典型環(huán)節(jié)和控制規(guī)律又是學(xué)習(xí)可編程控制器控制的基礎(chǔ)，所以課程內(nèi)容中要有接觸器——繼電器控制部分。這兩部分內(nèi)容既相對獨(dú)立，又密切聯(lián)系。

1.電氣控制技術(shù)理論課程內(nèi)容安排

繼電器——接觸器控制部分主要有低壓電器元件的原理、用途及電氣符號介紹、典型控制環(huán)節(jié)和基本控制規(guī)律以及典型的常用機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)原理分析，要求熟練掌握典型環(huán)節(jié)、基本控制規(guī)律和原理分析方法及必要的故障檢查排除方法。

2.可編程序控制器理論課程內(nèi)容安排

可編程控制器部分以國內(nèi)廣泛應(yīng)用的西門子S7-200為背景機(jī)型，主要講述可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理、基本指令和使用頻率較高的擴(kuò)展指令、可編程序控制器的編程方法。在編程方法上，以順序控制編程方法為主要內(nèi)容。以上內(nèi)容分兩門課進(jìn)行講授。教學(xué)中注重理論與工程實(shí)際相結(jié)合，重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，融入前沿技術(shù)，較好地體現(xiàn)課程的基礎(chǔ)性、先進(jìn)性和前沿性[3]。在講課過程中注重對比和聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生理解兩種控制方式的異同和特點(diǎn)。

因?yàn)榭删幊炭刂茖?shí)踐性強(qiáng)，安排適當(dāng)?shù)膶W(xué)時數(shù)講解最新典型可編程控制系統(tǒng)的編程實(shí)例，使學(xué)生眼界開闊。這部分內(nèi)容每輪都會更新，即課程內(nèi)容是開放的、動態(tài)的。編寫教學(xué)大綱時要充分考慮兩部分之間的聯(lián)系，將課程內(nèi)容精選。

二、應(yīng)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段

理論教學(xué)中采用多媒體輔助教學(xué)手段，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，課堂氣氛活躍，同時可以使復(fù)雜問題簡單化，抽象問題具體化，便于知識更新，顯著提高理論教學(xué)效果。

對于擴(kuò)充學(xué)生知識面的認(rèn)知知識，我們采用多媒體手段，可以擴(kuò)大課堂信息量，也可以為重點(diǎn)問題留出更多的理論課時。

充分利用網(wǎng)絡(luò)手段，將課程多媒體課件、章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容和典型案例等傳至QQ交流群，供學(xué)生下載交流學(xué)習(xí)。

在多媒體教室計算機(jī)中預(yù)裝S7-200編程監(jiān)控軟件及仿真軟件，供教師在課堂教學(xué)中使用。當(dāng)學(xué)生對某些指令用法存在疑惑時，可進(jìn)行現(xiàn)場演示，生動直觀。

鼓勵學(xué)生在自己的電腦上安裝S7-200編程監(jiān)控軟件和仿真運(yùn)行軟件，查找資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足[4]。

三、分層次安排課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)學(xué)習(xí)規(guī)律，必要數(shù)量的實(shí)驗(yàn)可以強(qiáng)化學(xué)生對課程內(nèi)容的理解與掌握，但學(xué)生的技能優(yōu)勢逐步提高的。因此將實(shí)驗(yàn)課程按難度排列，可以達(dá)到較好的效果。

1.電氣控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)安排

電氣控制技術(shù)的課程實(shí)驗(yàn)分為兩部分。一部分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要驗(yàn)證典型控制環(huán)節(jié)和基本控制規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生加深對上述控制電路的理解與掌握，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力;另一部分是綜合實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對較復(fù)雜的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的原理分析、尋找故障和排除故障的能力，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)時分配見表1。

2.可編程序控制器課程實(shí)驗(yàn)安排

可編程序控制器部分的課程實(shí)驗(yàn)也分為兩部分。一部分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要包括熟悉編程軟件和實(shí)驗(yàn)裝置用法的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)和若干基本指令應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，主要是理解和驗(yàn)證指令功能，重點(diǎn)掌握移位寄存器指令和順序控制指令的編程方法，掌握基本編程技能;另一部分是綜合實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，繪制程序流程圖，進(jìn)而綜合利用各種指令進(jìn)行復(fù)雜編程的能力，學(xué)生可以在四層電梯的模擬控制、加工中心模擬控制、自動售貨機(jī)模擬控制等試驗(yàn)中選擇一個進(jìn)行。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)時分配見表2。

表1 電氣控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)層次 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 學(xué)時

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)直接起動控制電路 2

電動機(jī)降壓起動控制電路電路 2

電動機(jī)串電阻反接制動控制電路 2

電動機(jī)能耗制動控制電路 2

綜合實(shí)驗(yàn) C620車床的電氣控制線路 2

M7130平面磨床的電氣控制線路 2

X62W銑床模擬控制線路的調(diào)試 4

表2 可編程控制器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)層次 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 學(xué)時

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) PLC的基本指令練習(xí)、軟件學(xué)習(xí) 2

交通燈的PLC模擬控制 2

機(jī)械手的PLC模擬控制 2

裝配流水線的PLC模擬控制 2

綜合實(shí)驗(yàn) 加工中心的PLC模擬控制 2

自動售貨機(jī)的PLC模擬控制 2

四層電梯的PLC模擬控制 4

四、改進(jìn)課程設(shè)計教學(xué)

為了鞏固學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生利用所學(xué)知識分析問題解決問題的能力，在每門課程講授完成后，進(jìn)行課程設(shè)計。

1.電氣控制技術(shù)課程設(shè)計

進(jìn)行電氣控制技術(shù)課程設(shè)計時，學(xué)生根據(jù)所給題目進(jìn)行接觸器——繼電器控制系統(tǒng)原理設(shè)計，然后在維修電工實(shí)訓(xùn)室對所設(shè)計的原理圖進(jìn)行連線驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后，根據(jù)負(fù)載選擇電源開關(guān)、熔斷器、接觸器、熱繼電器、時間繼電器、按鈕等電器元件的型號、參數(shù)，查閱資料確定每個元件尺寸，按題目所給的底板尺寸安排各元器件的位置，繪制電氣元件布置圖和電器元件布線圖，給出元器件清單和其他材料消耗定額，撰寫設(shè)計說明書，最后答辯評定成績。通過上述課程設(shè)計，使學(xué)生經(jīng)歷一次比較完整的接觸器——繼電器控制系統(tǒng)設(shè)計過程，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2.可編程序控制器課程設(shè)計

進(jìn)行可編程控制器課程設(shè)計時，學(xué)生根據(jù)所給題目，明確控制要求，確定輸入、輸出信號和可編程控制器的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，選擇可編程控制器的型號，繪制可編程序控制器接線圖和程序流程圖，然后根據(jù)流程圖進(jìn)行梯形圖設(shè)計，利用計算機(jī)和可編程控制器實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行程序驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計，符合要求后，打印程序清單，進(jìn)行程序注釋。根據(jù)題目所給控制箱的背板尺寸安排個電器元件的位置，繪制控制系統(tǒng)元件布置圖和布線圖，給出元器件清單和其他材料消耗定額，撰寫設(shè)計說明書，最后答辯評定成績。通過上述課程設(shè)計，使學(xué)生經(jīng)歷一次比較完整的可編程控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

五、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行方式

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生施加能力培養(yǎng)的重要場所，以往理論教學(xué)后開始實(shí)踐教學(xué)，當(dāng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時，電氣控制原理或可編程控制器的指令已經(jīng)生疏了。其次，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)分別由不同老師執(zhí)行，不了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，影響學(xué)習(xí)效果。再次，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，有些實(shí)驗(yàn)項目不能進(jìn)行。最后，實(shí)驗(yàn)室利用效率低，非實(shí)驗(yàn)時間實(shí)驗(yàn)室不開放，學(xué)生想進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提高能力時不方便。基于此，我們改變實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行方式，主要有：

1.為了促進(jìn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，理論課教師參加指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，這樣有利于理論知識對實(shí)踐環(huán)節(jié)的切實(shí)指導(dǎo)，也有利于實(shí)踐環(huán)節(jié)對理論知識的有效檢驗(yàn)，同時也促進(jìn)了教師的教學(xué)交流，提高教學(xué)質(zhì)量[5]。

2.應(yīng)用MCGS等監(jiān)控仿真軟件，構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)數(shù)量，學(xué)生可自主進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生實(shí)踐能力，還可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。目前已經(jīng)將可編程控制器經(jīng)典的三十多個試驗(yàn)進(jìn)行仿真建模。

3.將實(shí)驗(yàn)室在課程設(shè)計、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計階段全開放，提高實(shí)驗(yàn)室利用率。指導(dǎo)教師指定課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，通過查閱資料，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，確定控制系統(tǒng)方案，進(jìn)行驗(yàn)證。

4.鼓勵學(xué)生申請創(chuàng)新性試驗(yàn)項目，在老師指導(dǎo)下，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行項目研究，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力。

六、結(jié)語

在卓越工程師培養(yǎng)計劃的引導(dǎo)下，對電氣工程專業(yè)的“電氣控制技術(shù)”和“可編程序控制器”的課程體系進(jìn)行了重建。

1.精簡整合兩部分的理論授課內(nèi)容，重視原理和方法的闡述，并注重兩部分之間的異同和聯(lián)系;

2.在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將實(shí)驗(yàn)分成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，分層次培養(yǎng)學(xué)生的動手能力;

3.在課程設(shè)計環(huán)節(jié)教學(xué)中，為學(xué)生虛擬一個工程背景，按工程技術(shù)人員的開發(fā)規(guī)程完成課程設(shè)計;

4.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行方式，理論課教師參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改善實(shí)驗(yàn)條件，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室開放時段，引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室資源。

通過幾輪的理論與實(shí)踐教學(xué)，我們觀察到學(xué)生對電氣控制原理都有較深的理解，可編程序控制器的編程能力與前幾屆學(xué)生相比有明顯提高。同時，學(xué)生接受了電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)工作過程訓(xùn)練，工程實(shí)踐能力明顯增強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）